바이오인

핵심내용

-저분자물질(GSK5182)이 포도당 생성에 관여하는 단백질 활성을 억제하여 혈당 완화

□ 국내 연구진이 간에서의 포도당 생성에 관여하는 단백질을 저해해 혈당을 낮추는 물질(GSK5182)을 찾아냈다. GSK5182이 고혈당과 인슐린에 대한 저항성을 완화해 주는데다 특정 단백질에만 작용해 부작용이 적은 당뇨병 치료제 후보물질이 될 것으로 기대된다.

  o 전남대 최흥식 교수, 고려대 구승회 교수, 한국생명공학연구원 이철호 박사, 서울대 박승범 교수 등이 공동연구한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구) 및 중견연구자지원사업(도약연구) 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 내분비학 및 대사 분야 국제학술지 Diabetes지 8월 23일자 온라인 판에 게재되었다.

    (논문명 : Inverse agonist of nuclear receptor ERRγ mediates anti-diabetic effect through inhibition of hepatic gluconeogenesis)

□ 기존 당뇨병 제재는 혈당조절에 탁월한 효과를 보이지만 당대사를 근본적으로 조절하거나 특정 단백질에만 작용하는 것이 아니어서 저혈당이나 신부전 등 부작용을 초래할 수 있다는 한계가 있었다.

  o 이를 극복하기 위해 당대사와 관련된 특정 단백질만을 타겟으로 하는 물질을 발굴하려는 연구가 활발하지만 뚜렷한 성과가 없었다.

□ 연구팀은 저분자 물질(GSK5182*)이 간에서 포도당 생성에 관여하는 이알알감마(ERRγ)**와 결합해 그 활성을 억제함으로써 고혈당과 인슐린 저항성을 완화하는 등 항당뇨병 효과를 보이는 것을 밝혀냈다.

  o 이를 응용한 당뇨병 치료제가 개발될 경우 이알알감마(ERRγ)에만 작용해 부작용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 

    * GSK5182 : 에스트로겐 수용체를 억제하는 상용 항유방암 물질을 변형시킨 물질로 ERRγ에 결합하여 ERRγ의 전사활성만을 억제하는 것으로 보고된 바 있음

   ** 이알알감마(ERRγ) : 간에서의 포도당 생합성에 관여하는 전사조절 단백질. 리간드와 결합하면 스스로 전사활성이 증가되어 포도당 합성관련 유전자가 발현되도록 돕는 핵호르몬 수용체. 아직 리간드가 밝혀지지 않은 고아(orphan) 수용체

□ 연구팀은 이알알감마(ERRγ)가 간의 포도당 합성을 촉진하는 역할을 하는 것에 착안하여 이알알감마(ERRγ)를 억제하는 것으로 알려진 GSK5182이 당뇨병 치료효과를 가질 것이라 가정했다. 

  o 실제 고혈당이나 인슐린 저항성 같은 증상을 보이는 생쥐의 간에서 이알알감마(ERRγ)가 많이 발견된 것도 이같은 가정에 힘을 보탰다.

□ 실제 식욕조절 호르몬 유전자를 조작해 당뇨병과 비슷한 증상을 보이는 비만생쥐에 GSK5182를 꾸준히 투여해 이알알감마를 억제한 결과 공복혈당이 거의 정상으로 회복됐다. 

  o 마찬가지로 리보핵산 간섭*을 통해 이알알감마를 억제한 경우에도 혈당회복이 관찰되었다. 
     * 리보핵산 간섭(RNAi) : 20개 내외의 뉴클레오타이드로 된 리보핵산이 상보적인 염기서열의 리보핵산을 만나 분해하거나(siRNA), 발현을 억제(miRNA)하는 현상

□ 최 교수는 “이번 연구는 전사조절인자인 이알알감마(ERRγ)가 당뇨병의 주요원인임을 분자수준에서 규명하고, 이알알감마(ERRγ)의 전사활성을 특이적으로 억제하는 새로운 물질을 찾아내 부작용을 최소화 할 수 있는 새로운 당뇨병 치료제 후보물질을 제시한 것”이라고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

  지난 30여 년 동안 경제성장, 노인인구 증가와 서구화된 생활양식의 변화는 전세계적으로 당뇨병의 유병률을 폭발적으로 증가시켰고, 현재 전 세계적으로 2003년 기준 대략 1억 9,400만 명의 당뇨병 환자가 있다고 추산되며 2025년까지 5억 3,000만 명(10%)으로 증가할 것으로 예상되고 있다.

  당뇨병은 만성적 고혈당과 인슐린의 결핍을 특징으로 하는 대사질환으로 유병기간이 길어짐에 따라 망막증, 신증, 신경병증 등의 미세혈관 합병증과 관상동맥질환, 뇌혈관질환, 말초동맥혈관질환과 같은 대혈관 합병증을 초래하는 만성 진행성 질환이다.

  현재 당뇨병 치료에 널리 쓰이고 있는 설포닐유레아계와 메트포민 제제들은 혈당조절에 탁월한 효능을 보이고 있지만 당대사와 관련된 특정 유전자 및 단백질을 대상으로 한 치료제가 아니기 때문에 저혈당, 신부전 및 젖산 산증 등과 같은 약제 부작용을 초래하는 것으로 알려져 있다. 이와 더불어 호르몬 핵수용체 PPARγ를 타겟으로 하는 티아졸리디네디온(Thiazolidinediones)계의 당뇨병 치료제가 개발되었고 미국 FDA의 승인을 받아 당뇨병 치료에 사용되었지만 심혈관계 질환을 유발하는 등 심각한 부작용이 보고되어 시장에서 퇴출되었다.

  따라서 새로운 호르몬 핵 수용체를 타겟으로 하는 당뇨병 치료제 개발로 부작용을 최소화하려는 연구가 활발하나 현재까지 뚜렷한 성과가 없었다.

2. 연구내용

  본 연구팀은 핵 호르몬 수용체 ERRγ가 포도당 생성에 관여하는 핵심 유전자 (PEPCK, G6Pase)의 양적 증가를 유도함으로써 간에서의 포도당대사를 조절하는 핵심유전자임을 규명한바 있다. (Kim DK, Ryu D, Koh M, et al. Orphan nuclear receptor estrogen-related receptorγ(ERRγ) is key regulator of hepatic gluconeogenesis. J Biol Chem. 2012;287(26):21628-39)

  본 연구에서는 이를 근거로 ERRγ의 발현이 공복 상태의 쥐 간에서 증가되어 있고, 제2형 당뇨병 생쥐 모델인 ob/ob, db/db 및 high-fat diet를 시킨 생쥐의 간에서 현저히 증가되어 있는 것을 확인하였다. 이 결과를 근거로 ERRγ를 정상 쥐의 간에 과발현 시킨 결과, 간의 포도당 생성에 핵심 유전자들이 현저히 증가하였고, 공복혈당 및 인슐린 저항성이 증가하였다.

  반대로 제2형 당뇨병에 걸린 생쥐에게 리보핵산 간섭(RNA interference) 방법을 적용하여 ERRγ의 발현을 억제한 결과, 공복혈당이 낮아졌고 인슐린 저항성도 현저히 개선되었다. 이런 결과들을 통해 ERRγ가 간에서 포도당 생성에 핵심 조절자로서 당뇨병 유발 원인임을 규명하였다.

  따라서 본 연구팀은 핵 호르몬 수용체가 특정 리간드에 의해서 그 활성이 특이적으로 조절되는 점에 착안하여 ERRγ의 특이적 리간드인 GSK5182가 항당뇨병 효과가 있을 것으로 판단하고, 이를 확인하기 위해 제2형 당뇨병 생쥐 모델인 db/db 또는 고지방식 (high-fat diet)을 먹인 생쥐에 GSK5182를 약 1달간 지속적으로 투여한 결과, 공복 혈당이 거의 정상으로 회복되었으며, 포도당 저항성 및 인슐린 저항성이 현저히 개선되는 것을 확인하였다. 이와 더불어 GSK5182가 체중 감소 및 지방간 개선에도 효과가 있음을 규명하였다.

  따라서 본 연구는 제2형 당뇨병의 핵심 원인이 핵 호르몬 수용체 ERRγ에 의한 간의 포도당 생성 증가임을 증명하고, 특정 리간드에 의해서 그 활성이 특이적으로 조절되는 핵 호르몬 수용체의 특성을 이용하여 ERRγ의 활성을 억제하는 저분자 물질인 GSK5182의 항당뇨병 효능을 제 2형 당뇨병 생쥐 모델에서 확인함으로써 새로운 항당뇨병 치료제 개발에 원천 기술을 제시하였다.

3. 기대효과

  본 연구에서는 핵 호르몬 수용체인 ERRγ에 의한 간의 포도당 생성 증가가 당뇨병 유발의 핵심원인임을 새롭게 규명하였고, ERRγ의 전사를 특이적으로 조절하는 저분자 물질인 GSK5182를 이용하여 항당뇨병 효과를 확인하였다. 이러한 분자기작에 의한 새로운 접근 방법은 향후 기존의 당뇨병 치료제의 부작용을 최소화하는 새로운 당뇨병 치료제 개발에 핵심기술이 될 것으로 기대한다.

용 어 설 명

1. Diabetes지
 ○ 당뇨병 분야 국제학술지로 내분비학 및 대사(ENDOCRINOLOGY & METABOLISM) 분야에서 5%(6위/121개) 이내(피인용지수: 7.895)

2. 핵 호르몬 수용체(nuclear hormone receptor)
 ○ 세포 내 유전자발현 변화를 통해 세포의 발생이나 성장, 분화를 조절하기 위해서는 호르몬에 반응하는 호르몬 수용체가 필요한데 크게 세포막 수용체와 핵 수용체가 있다.
 ○ 핵 호르몬 수용체는 호르몬(리간드)과 결합하여 활성화되어 수용체 스스로 전사조절인자로서 작용하여 유전자의 발현을 조절한다.
 ○ 결합하는 리간드가 밝혀지지 않은 경우 고아핵수용체(orphan nuclear receptor)라고 부르는데 ERRγ역시 고아핵수용체 중의 하나이다.

3. GSK5182
 ○ 에스트로겐 수용체(ER, Extrogen Receptor)의 활성을 억제하는 항유방암 물질 4–OHT (4-hydorxytamaxifen)의 구조변형을 통해 얻은 유사체(analog)
 ○ 4-OHT가 에스트로겐 수용체와 ERRγ 둘 모두의 전사활성을 억제하는 반면, GSK5182는 ERRγ에만 작용하여 그 전사활성을 특이적으로 억제하는 저분자 물질

4. 리보핵산 간섭(RNAi, RNA interference)
 ○ 동물을 포함한 많은 진핵생물에서 발견되는 현상으로, 특정 유전자의 발현을 특이적으로 억제할 수 있다.
 ○ 세포내에서 이중가닥 RNA가 만들어지면, 특정효소(다이서)가 나타나서 이중가닥 RNA에 부착하여 21-23개의 핵산단편으로 절단한다. 이 단편들이 상보적인 염기 서열을 가지는 리보핵산을 만나면, 이 리보핵산의 양을 감소시키거나 (siRNA) 단백질로서의 발현을 억제시킨다(miRNA).

5. 포도당 생성 핵심유전자
 ○ 간에서의 포도당 신생합성과정에 관여하는 유전자
   -  PEPCK(포스포에놀피루브산 카르복시인산화효소) : 당신생합성의 중간 산물인 옥살로아세트산을 포스포에놀피루브산과 이산화탄소로 전환시키는 효소
   - G6Pase(글루코스 6 탈인산화효소) : 포도당-6-인산을 인산그룹과 포도당으로 전환시키는 효소

6. 제2형 당뇨병 동물모델
 ○ 식욕조절 호르몬인 렙틴(Leptin) 및 렙틴수용체(Leptin receptor)가 유전적으로 변이되어 작동하지 않는 생쥐를 말하는데, 렙틴 유전자 변이 ob/ob는 비만하다는 뜻의 obese (ob), 렙틴수용체 유전자 변이 db/db는 당뇨병이라 뜻의 diabetic (db)에서 유래되어 명명되었다.      
 ○ 자라면서 비만해지고 혈당이 급격히 상승하며 인슐린 저항성이 생기고, 고지혈증 및 고인슐린증 등 제 2형 당뇨병 증상을 나타낸다.
 ○ 한편 고지방식을 12주 동안 먹인 생쥐도 이들과 비슷한 당뇨병 증상을 갖게 되는데, 사람의 경우 비만으로 인해 발생하는 당뇨병과 거의 흡사하여 특정 물질의 항당뇨병 효과 확인에 유용한 생쥐 모델로서 널리 활용되고 있다.

그 림 설 명

<그  림> GSK5182의 항당뇨병 효과 검증

정상 쥐에 고지방식(high-fat diet)를 12주간 실시한 뒤 GSK5182와 메트포민(metformin)을 25일 동안 매일 투여하여 GSK5182의 항당뇨병 효과를 검증하였다.

- 그림 A : 5일 마다 공복혈당을 측정한 결과, GSK5182를 투여한 쥐(원으로 표시된 그래프)는 비교생쥐(사각형으로 표시된 그래프)에 반해 공복 혈당이 거의 정상 혈당으로 낮아지는 것을 볼 수 있어 혈당회복 결과를 보여준다.
- 그림 B :  Pck1과 G6pc의 유전자 발현 변화, 간에서 포도당을 만들어 내는 과정에 필수적인 역할을 수행하는 Pck1과 G6pc 유전자의 발현이 GSK5182를 투여한 쥐 (검은색 그래프)에서 비교생쥐 (흰색 그래프)와 다르게 현저히 감소된 것을 나타내는 결과이다.
- 그림 C : 포도당 저항성 검사, GSK5182를 투여한 쥐(원으로 표시된 그래프)는 비교생쥐(사각형으로 표시된 그래프)와는 달리 고농도 포도당에 대한 체내 저항성이 의미 있게 개선되었음을 나타내는 결과이다.

- 그림 D : 인슐린 저항성 검사, GSK5182를 투여한 쥐(원으로 표시된 그래프)는 비교생쥐(사각형으로 표시된 그래프)에 반하여 인슐린에 대한 반응성이 뚜렷하게 개선된 것을 나타낸다.
- 그림 E : 음식 섭취량 변화, GSK5182를 투여한 쥐(검은색 그래프)에서 비교생쥐(흰색 그래프) 보다 음식 섭취량이 감속되어 식욕억제 효과가 있음을 보여주는 결과이다.
- 그림 F : 체중 변화, GSK5182를 투여한 쥐(검은색 그래프)에서 비교생쥐(흰색 그래프) 보다 체중 감소하여 비만억제 효능이 있음을 나타내는 결과이다.

- 그림 G : 지방간 변화, 비교생쥐에서는 붉은색으로 염색된 지방간의 형성이 뚜렷하게 관찰되는데 반하여, GSK5182 투여에서는 붉은색으로 염색된 부분이 거의 관찰되지 않아 지방간 형성이 억제된 정상적인 상태를 나타내고 있다. 
- 그림 H : 지방조직의 양 변화, GSK5182를 투여한 쥐 (검은색 그래프)에서 비교생쥐 (흰색 그래프) 보다 대표적인 체내 지방의 양이 의미 있게 감소된 것을 나타내는 결과이다.